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纳米3D打印最新研究进展简介

微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料(超材料、复合材料、光子晶体、功能梯度材料等)、新能源(太阳能电池、微型燃料电池等)、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等诸多领域对于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求。

微纳尺度3D打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势,而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点。近年来, 国际上纳米尺度3D打印也取得了多项重大进展和突破。

 

2014 9月,美国西北大学高速纳米制造中心(CHN)研究人员发布了革命性的纳米制造3D打印机 (nanoscale offset printing systemNanoOPS),如图1所示,这个巨大的六边形机约有7英尺宽,在它的中心固定着一个机械臂,用以转移模板和产品。NanoOPS 的工作原理与常见的挤出式3D打印机逐层堆积树脂或塑料不同,纳米3D打印机一开始就会在产品的模具或模板上打印。需要打印的计算机芯片或另一块电子器件会浸入含有微小纳米粒子的溶液。系统向溶液施加电脉冲,以引导纳米粒子附着在产品上,通过精确控制粒子数量生成指定的任意形状。使用该方法,铜纳米颗粒可以制成有史以来最小、最精确的形状。这套全自动的原型系统使用了全新的纳米打印技术,充分利用纳米材料的独特性能优势,在几分钟内,该 系统就能在柔性或硬质基材上使用导电、半导体或绝缘性的纳米材料(有机或无机)3D打印出纳米结构或电路(最低分辨率可达 25 nm)CHN 的主任 Ahmed Busnaina认为该技术将对一些工业领域产生革命性的影响,比如电子器件,iPhone 手机的生产成本在理论上可以降低至 10 美元。同时医学界也将大大受益。药物可以制成纳米颗粒直接通过皮肤吸收,而不用注射到血管里。NanoOPS 可以用来制造新的、更实惠的电子产品、药品,更强、更轻、更智能的复合材料,或更快、更便宜的能源采集和存储设备。NanoOPS 系统的运行、生产成本也远低于普通的纳米制造设备,使之具备了商业化的广阔前景。

 图 1  纳米 3D 打印机 NanoOPS

2013 年美国佐治亚理工学院报道了一种新开发的纳尺度3D打印机,借助于气体喷射,使用聚焦电子束诱导沉积(FEBID),发送一个高度聚焦束高能电子,制造出纳米尺度层状结构。无论电子撞击何处表面,都可以生长沉积,这为生长分辨率在数十纳米的各种材料的复杂三维纳结构提供了一种新的工具。他们希望利用这项技术制造基于石墨烯和碳纳米管的传感器、执行机构、高性能互连接口等电子设备; 以及通过改变纳米结构和组合材料的形状和组成,研制出具有新属性的光学和磁性材料。

2014 IBM 报道了新开发的纳米3D打印机(nanofrazor 3D nanoprinter),与传统的3D打印机的工作方式完全不同。传统的3D打印机,是将原材料依次挤出,并一层一层地叠加起来,完成原型打印。而该款3D打印机却和传统3D打印机截然相反,它是在原材料上直接加工,用一种类似于雕刻的方式,完成原型制造。该款3D打印机的打印针孔采用纳米级硅尖针孔,是日常生活的笔尖粗细的 10 万分之一。在打印过程中,纳米级硅尖会被加热到 1000°C 左右,可以直接将原材料表面物质气化,并形成不同深度的凹痕。通过对原始图像每个像素进行扫描,来确定凹痕的深浅程度,终打印出 3D 的灰度图像(如图2所示),实现了非常高的分辨率,极大降低了成本和复杂性。已经成功打印出世界小杂志封面,将《国家地理儿童(National Geographic Kids)》杂志的封面打印在 11 um×14 um 的平面上。

 图 2  纳米 3D 打印机和制造小杂志封面

201516日,OWL在国际消费电子展上出两款纳米级高精度 3D 打印机(MC-1MC-2),其精度达到±50 nm。图3分表是 MC-1 MC-2

 图 3  2015 年 OWL 推出两款纳米级高精度 3D 打印机

韩国研究人员开发出完全由石墨烯组成的3D打印纳米结构,利用弯液面实现纳米级3D打印。使用在微管尖端形成的弯液面,石墨烯氧化物(GO)细丝在室温下生长。接下来,细丝通过热或化学处理进行还原。随着溶剂的迅速蒸发,通过拉动微管实现的GO沉积,从而推动 GO 细丝的生长。通过调整微管的拉伸率,研究人员能够准确地控制rGO细丝,能够达到的小值为 150 nm。研究人员指出,他们采用的方法在石墨烯纳米结构3D打印,以及多材料 3D 纳米打印中相当有效。采用这种技术,他们生产出各种各样的独立的rGO体系结构,包括直丝、桥梁、悬挂连接点和编织结构。

使用3D打印实现不同材质的无缝集成是一个巨大的挑战,普林斯顿大学的研究人员已经成功3D打印出基于量子点的LED(QD-LED),如图 4所示。研究显示出不同类型的材料可以 3D 打印,并完全集成到具有有源器件性能的组件中。研究人员描述了五种不同材料的无缝交织,其中包括: 1) 光致发光半导体的无机纳米粒子;2) 一种弹性体基质;3) 作为电荷传输层的有机聚合物;4) 固体和液体金属引线; 5) UV 粘合透明基板层。

 图 4  3D 打印完整的量子点 LED

最近,美国科学家宣布制造出一台分子制造机—即可以在分子水平上工作的3D打印机,只需点击鼠标,即可根据需要组装出复杂的小分子(如图5所示)。这款突破性的分子制造设备是由伊利诺伊大学香槟分校的化学教授 Burke 课题组研究成功的。这可以简化小分子的化学合成,并为定制化学提供了巨大的可能性。

 图5  美国科学家开发出可制造分子的 3D 打印机

北卡罗莱纳州立大学开发出一种低成本打印3D纳米结构技术,使用米氏散射(Mie scattering)原理控制光粒子相互作用,从而制造出各种各样的3D结构,成本非常低。该技术在制造纳米针、纳米喷嘴和具有各相异性的材料方面具有很高的应用潜能。2015 年,在 CES 展上,Voxel8 公司推出了全球首款多材料3D电子打印机,该产品能够直接打印嵌入式的电子产 品。它具有两个不同的打印头,一个是基于常见FFF/ FDM 技术的使用熔融线材的打印头,另外一个则是使用导电银墨水的打印头。该技术的潜在用途很广泛,可用于印刷电子、用于组织工程的 3D 聚合物支架和用于能量收集储存的先进材料等。韩国科学家开发出纳米级3D打印笔HYPER,可以创建尺寸小于 100 nm 3D 结构。MIT 开发出用 DNA 做材料的纳米级 3D 打印技术,该技术能够让研究人员根据需要制造出 DNA 支架来固定被称为载色体的蛋白质和感光分子阵列,该载色体主要用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白;或创建新的药物运载工具,以及 RNA 疗法等,另外 3D 打印 DNA 结构的应用包括分子支架及纳米级模具等。韩国科学家预期三年内实现石墨烯 3D 纳米打印机商业化,研究人员已经制作 了各种独立的rGO结构,包括直导线、桥梁,悬浮结和编织结构等,这一技术在多个工业领域都有很广泛的应用前景,特别是,它能够给印刷电子领域带来全新的模式;也可以用于其他电子工业领域,比如 3D 打印电路板、晶体管、太阳能电池和传感器等。

 

近两年,各种新型微纳尺度 3D 打印工艺不断出现,目前德国NanoScribe公司、德国 TETRA 公司、美国OWL公司等已经能够提供成熟商品化微纳尺度 3D 打印设备,其他大多还停留在实验室或者工程样机阶段,未来亟需开发成熟、可靠、低成本的商品化微纳尺度 3D 打印设备和材料。

 

内容参考:《微纳尺度3D打印》

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